作为微行星安全避难所的死区：盘质量和外部磁场的影响

在死区中形成环双星行星

Formation of circumbinary planets in a dead zone

环联星行星已经在轨道半径上观测到，在这些半径上，双星扰动可能对气盘结构、微行星速度色散以及湍流和微行星之间的耦合产生重大影响。在这里，我们注意到，所有这些影响的行星形成的影响是定性的改变，如果环双星盘结构分层，与非湍流中面层（死区）和强烈的湍流表面层。对于近距离双星，我们发现，死区通常从半径接近内盘边缘的半径约10-20 AU的二进制的质量中心。表面密度的峰值出现在死区内，远离内部盘边缘，接近雪线，并且可以作为空气动力学耦合固体的陷阱。我们认为，环联行星形成可能更容易在这个优先位置附近比磁盘周围的单星。然而，在宽双星周围的死区是不太可能的，因此行星形成可能会更困难。

原行星盘死区中固体的扩散和聚集

Diffusion and Concentration of Solids in the Dead Zone of a Protoplanetary Disk

流动不稳定性是驱动原行星盘中星子形成的一种很有前途的机制。为了触发这一过程，有人认为，固体在中平面上的沉积需要是有效的，因此需要一个静止的气体环境。通常认为，非理想磁流体动力学（MHD）效应产生的死区或盘风结构满足这一要求。然而，模拟表明，死区的中平面并不是完全静止的。为了研究在这样的环境中的固体浓度，我们使用局部剪切盒近似来模拟具有欧姆死区的颗粒-气体系统，包括气体和固体之间的相互拖曳力。我们系统地比较了系统的演化与理想或非理想的MHD，有或没有从气体上的粒子的反作用阻力，并与不同的固体丰度。类似于以前的调查死区动力学，我们发现，颗粒的无量纲停止时间$τ_s=0.1$不沉淀明显超过那些在理想的磁旋转湍流，导致在垂直尺度高度的数量级大于在层流磁盘。相反的期望，这应该抑制形成的星子，我们仍然发现，强大的固体结块仍然发生在死区时，固体丰度是类似的层流环境的临界值。这可以通过中平面附近的颗粒的弱径向扩散来解释。结果表明，粒子向中平面的沉降不是由流动不稳定性形成星子的必要判据。

Requirements for gravitational collapse in planetesimal formation --- the impact of scales set by Kelvin-Helmholtz and nonlinear streaming instability

The formation of planetesimals is an unsolved problem in planet formation theory. A prominent scenario for overcoming dust growth barriers in dead zones is the gravitational collapse of locally over-dense regions, shown to robustly produce $\sim$100 km sized objects. Still, the conditions under which planetesimal formation occurs remain unclear. For collapse to proceed, the self-gravity of an overdensity must overcome stellar tidal disruption on large scales and turbulent diffusion on small scales. Here, we relate the scales of streaming and Kelvin-Helmholtz instability, which both regulate pa…

A "no-drift" runaway pile-up of pebbles in protoplanetary disks II. Characteristics of the resulting planetesimal belt

Forming planetesimals from pebbles is a major challenge in our current understanding of planet formation. In a protoplanetary disk, pebbles drift inward near the disk midplane via gas drag and they may enter a dead zone. In this context, we identified that the backreaction of the drag of pebbles onto the gas could lead to a runaway pile-up of pebbles, the so-called no-drift mechanism. We improve upon the previous study of the no-drift mechanism by investigating the nature and characteristics of the resultant planetesimal belt. We performed 1D diffusion-advection simulations of drifting pebbles…

微行星在有死区的湍流大气中的命运。I.湍流搅拌配方

The Fate of Planetesimals in Turbulent Disks with Dead Zones. I. The Turbulent Stirring Recipe

原行星盘中的湍流在许多方面影响着行星形成。虽然小的尘埃颗粒主要受到与湍流气体速度场的空气动力学耦合的影响，但微行星和较大的天体更多地受到与气体密度波动的引力相互作用的影响。对于后一个过程，近年来进行了一些数值模拟，但尚未建立完全独立于参数的理解。在这项研究中，我们提出了简单的标度关系的星子搅拌速率在湍流驱动的磁旋转不稳定性（MRI），考虑到稳定的MRI由于欧姆电阻率。我们首先从数量级的估计的连续性引起的引力作用在固体和相关的扩散系数为他们的轨道要素。然后，我们测试预测的标度关系，使用最近的欧姆电阻MHD模拟的结果Gressel等人。我们发现，这些关系成功地解释了模拟结果，如果我们正确地修复秩序的统一的不确定性的估计。我们还更新了最初由Okuzumi和Hirose提出的MRI驱动湍流中密度波动幅度的饱和预测。结合的比例关系和饱和度预测允许知道如何的星子的湍流搅拌速率取决于磁盘参数，如气柱密度，距离中心恒星，垂直电阻率分布，和净垂直磁通量。在第二篇论文中，我们将我们的方法应用于星子吸积，讨论它在湍流盘中的可行性。

原始尘埃环、隐藏尘埃质量与引力不稳定原行星盘中的第一代星子

Primordial dust rings, hidden dust mass, and the first generation of planetesimals in gravitationally unstable protoplanetary disks

该研究提出引力不稳定盘中因磁旋转不稳定性抑制形成类死区并累积大质量尘埃环，进而触发流不稳定性，生成第一代星子的新机制。

湍流原行星盘中微行星的动力学

On the dynamics of planetesimals embedded in turbulent protoplanetary discs

原行星盘中的角动量输运和吸积通常被认为是由MHD湍流通过磁旋转不稳定性（MRI）驱动的。嵌入这些圆盘中的固体（尘埃颗粒、巨石、微行星和行星）的动力学可能受到湍流的强烈影响，因此行星系的形成路径部分取决于湍流的强度和空间分布。我们使用三维MHD模拟研究了嵌入湍流原行星盘中的半径在1米至10公里之间的微行星的动力学。微行星受到气体阻力和随机引力的作用，这是由于湍流盘造成的。在这项研究中，我们使用并比较了局部剪切箱模拟和全球模型的结果。这项工作的主要目的是检查：的增长，和可能的饱和度，嵌入式微行星的速度色散作为其大小和光盘参数的函数;微行星的径向迁移和扩散的速率;剪切盒和全球模拟结果一致的条件下。当使用尺寸为4 H x 16 H x 2 H的剪切盒（H为局部尺度高度）时，我们发现局部和全局模拟之间存在良好的一致性。由于螺旋密度波的激发和传播，所获得的密度波动的幅度对盒子的尺寸敏感。这影响了微行星所经历的随机强迫。[...]我们的模型表明，充分发展的MHD湍流在原行星盘将嵌入星子的破坏性影响。相对较低的湍流水平需要的星子吸积的传统模型的运作，这是一致的存在一个死区的原行星盘。

通过湍流扰动的长期引力不稳定性研究星子的形成

On the Formation of Planetesimals via Secular Gravitational Instabilities with Turbulent Stirring

我们研究了气体盘中小固体的引力不稳定性（GI）作为形成星子的机制。气体阻力的耗散引入了长期GI，即使临界密度的标准GI准则或Toomre的$Q$预测稳定性时，长期GI也会继续。我们包括湍流扩散的稳定作用，抑制小规模GI。坍缩的辐射状宽环包含了多达$\sim 0.1$地球质量的固体。环的后续分裂（这里没有模拟）将产生一个化学性质均匀的小行星族。粒子径向漂移时间尺度（和，在较小程度上，磁盘的寿命和大小）限制长期GI磁盘的可行性与弱湍流扩散，其特征在于$α\lesssim 10^{-4}$。因此，中平面死区是优选的环境。半径为$\gtrsim 10$ cm的大固体坍缩得最快，因为它们与气盘部分分离。如果粒子驱动的湍流被局部压力最大值或超太阳金属丰度削弱，那么更小的固体，甚至低于$\sim$毫米尺寸的固体也可能坍缩。与模拟结果相比，包括粒子聚集的流动不稳定性表明，我们的线性模型低估了快速，小规模的引力坍缩。因此，包含更详细的气体动力学促进了星子的形成。我们讨论了太阳系和吸积盘观测中的相关约束。

A "no-drift" runaway pile-up of pebbles in protoplanetary disks in which midplane turbulence increases with radius

A notable challenge of planet formation is to find a path to directly form planetesimals from small particles. We aim to understand how drifting pebbles pile up in a protoplanetary disk with a non-uniform turbulence structure. We consider a disk structure in which the midplane turbulence viscosity is increasing with radius in protoplanetary disks as in the outer region of a dead zone. We perform 1D diffusion-advection simulations of pebbles that include back-reaction (the inertia) to radial drift and vertical/radial diffusion of pebbles for a given pebble-to-gas mass flux. We report a new mech…

基于轨迹的盘中尘埃演化：RAPID模拟代码的初步结果

Trajectory-Based Dust Evolution in Disks: First Results from the RAPID Simulation Code

RAPID模拟显示，盘中尘埃演化高度依赖于物理条件，尘埃陷阱的有效性受粘性、碎裂速度和死区宽度影响。

恒星辐照盘和嵌入行星迁移的暗示III：粘度转变

Stellar irradiated discs and implications on migration of embedded planets III: viscosity transitions

嵌入的低质量行星的迁移强度和方向取决于盘的结构。在具有有效辐射传输的圆盘中，对于质量超过3-5个地球的行星，迁移可以向外定向。这是由于熵驱动的共转扭矩，这一过程延长了行星胚胎的寿命。我们调查的影响所造成的跳跃的α参数的粘度模型的死区结构中的光盘结构。我们专注于M-dot光盘，它有一个恒定的净质量流量。使用由此产生的光盘结构，我们调查的后果，形成的星子，并确定向外迁移的原行星的区域。我们在r-z平面上对M点圆盘进行了数值模拟。我们使用显式/隐式流体动力学代码FARGOCA，其中包括一个完整的张量粘度和恒星辐射，以及一个两个温度的求解器，其中包括在通量限制扩散近似辐射传输。圆盘内部的粘度转变产生了密度的转变，通过所谓的“行星陷阱”机制阻止了小行星的向内迁移。这一机制也适用于M_P > 0.5M_E的行星。此外，粘度转变改变了圆盘中的压力梯度，这通过流动不稳定性促进了星子的形成。然而，需要粘度的非常陡峭的转变以在盘中的压力冲击中实现。粘度的转变有利于微行星的形成，可以阻止小质量行星（M_P>0.5M_E）的迁移，但不能阻止小行星和微行星在气体拖曳作用下的向内迁移。需要一个非常陡峭的，可能不切实际的粘度梯度来捕获质量较小的行星，并在压力隆起处停止气体拖曳驱动的微行星迁移。

原行星盘中雪线的演化

On the Evolution of the Snow Line in Protoplanetary Discs

我们模拟了原行星盘中雪线的演化。如果磁旋转不稳定性（MRI）驱动整个圆盘的湍流，那么就有一条独特的雪线，雪线之外的圆盘是冰冷的。雪线移动接近恒星的下降吸积率下降。因为雪线在地球轨道半径内移动，所以用这个模型很难形成我们这个没有水的星球。然而，原行星盘不太可能被充分电离而成为完全湍流。中间平面处的死区减缓了材料通过圆盘的流动，并且不能实现稳定状态。因此，我们也在一个随时间变化的磁盘与死区雪线的演变模型。随着质量的积累，死区的外部变得自引力，加热了巨大的圆盘，因此外部雪线不会进入地球轨道的半径范围内，这与完全湍流的圆盘模型相反。在死区内还有一个内部的冰区，大约10^6年后它会向地球轨道内部移动。在这个模型中，圆盘中有足够的时间和质量让地球从半径为1 AU的无水微行星形成。此外，这个模型预测的额外的内部冰区可能允许在不需要太多迁移的情况下在靠近它们的主恒星的地方形成巨行星。

原恒星磁吸积与死区

Magnetized Accretion and Dead Zones in Protostellar Disks

原恒星盘中磁死区的边缘被认为是密度隆起可能出现的位置，捕获微行星并帮助形成行星。在磁活跃区的磁旋转湍流提供了恒星上气体的吸积和质量到死区的运输。我们调查的位置的磁活跃区在一个太阳型恒星周围的原恒星盘，不同的磁盘温度，表面密度分布，和尘埃气体比。我们还考虑恒星质量在0.4和2 $M_\odot$，与相应的调整，在磁盘的质量和温度。死区的大小和形状被发现使用Elsasser数标准与电导率，包括从离子，电子，和带电分形尘埃聚集体的贡献。利用S.奥澄死区在大多数情况下由双极扩散限定。在我们的地图中，死区有各种形状，包括指向远离恒星的鱼尾和位于中平面内外的岛屿。相应的吸积率随半径而变化，表明表面密度将随时间增加的位置，以及其他将减少的位置。我们发现，密度凸块不容易增长附近的死区的外缘，独立的磁盘参数和灰尘的属性。相反，吸积速率在气相金属冻结的半径处达到峰值。这可能导致清除表面密度中的谷，并导致恰好位于金属冻结线之外的鹅卵石的陷阱。

固体在死区内边缘的捕获：三维全球MHD模拟

Trapping Solids at the Inner Edge of the Dead Zone: 3-D Global MHD Simulations

原行星盘内部电离差的地方是尘埃凝聚过程最有效的地方。然而，即使在这里，星子的形成也可能受到径向漂移造成的固体物质损失和粒子碰撞碎裂的限制。我们的目的是调查的可能性，固体颗粒被困在当地的压力最大值的动态发展的磁盘。我们进行了第一次三维整体非理想磁流体力学计算的磁盘处理驱动的磁旋转不稳定性的湍流。该域包含一个内部的年轻恒星附近的MRI活跃区域和一个外部的中面死区，两者之间的过渡建模的急剧增加的磁扩散率。活动带中产生的方位磁场随时间振荡，大约每150年改变一次符号。因此，我们观察到的径向结构的“蝴蝶图案”之前看到的局部剪切盒模拟。平均磁场从活动区扩散到死区，在死区中雷诺应力仍然占主导地位。更大的总吸积应力在活动区导致净减少的表面密度，因此，800年后达到一个近似的稳定状态，其中在过渡半径附近的中面压力的局部径向最大值。我们还观察到活动带内密度脊的形成。在我们的模型中的死区具有一个平均磁场，显着的雷诺应力和稳定的局部压力最大值的内边缘，在那里的行星胚胎向外迁移和有效的捕获固体物质是可能的。

Planetary nurseries: vortices formed at smooth viscosity transition

Excitation of Rossby wave instability and development of a large-scale vortex at the outer dead zone edge of protoplanetary discs is one of the leading theories that explains horseshoe-like brightness distribution in transition discs. Formation of such vortices requires a relatively sharp viscosity transition. Detailed modelling, however, indicates that viscosity transitions at the outer edge of the dead zone is relatively smooth. In this study, we present 2D global, non-isothermal, gas-dust coupled hydrodynamic simulations to investigate the possibility of vortex excitation at smooth viscosit…

Vortex instabilities triggered by low-mass planets in pebble-rich, inviscid protoplanetary discs

In the innermost regions of protoplanerary discs, the solid-to-gas ratio can be increased considerably by a number of processes, including photoevaporative and particle drift. MHD disc models also suggest the existence of a dead-zone at $R\lesssim 10$ AU, where the regions close to the midplane remain laminar. In this context, we use two-fluid hydrodynamical simulations to study the interaction between a low-mass planet ($\sim 1.7 \;{\rm M_\oplus}$) on a fixed orbit and an inviscid pebble-rich disc with solid-to-gas ratio $ε\ge 0.5$. For pebbles with Stokes numbers St=0.1, 0.5, multiple dusty …

年轻中等质量恒星的吸积爆发使行星形成更具挑战性

Accretion bursts in young intermediate-mass stars make planet formation challenging

本研究通过数值模拟发现，年轻中等质量恒星周围原行星盘的吸积爆发会破坏尘埃环，抑制流不稳定性触发的星子形成，解释了大质量恒星周围行星稀缺的现象。

大尺度极向磁场作用下吸积盘中的Rossby波不稳定性

Rossby Wave Instability in Accretion Discs with Large-Scale Poloidal Magnetic Fields

研究了大尺度磁场对吸积盘中非轴对称Rossby波不稳定性的影响。不稳定性的发展周围的密度隆起，这是可能存在的过渡区之间的活动区和死区的原行星盘。先前的工作表明，由RWI产生的涡旋可能有助于星子的形成和角动量的传输。我们认为磁盘线程由一个大规模的极向磁场，在磁盘表面的径向场分量。这样的磁场配置可能导致磁风或磁喷流的产生。一般来说，即使当RWI处于亚热状态（等离子体$β\sim 10$）时，磁场也会影响RWI。对于无限薄的圆盘，不稳定性可以提高约10%。对于具有有限厚度的盘，随着磁场强度的径向梯度，随着场接近均分（$β\sim 1$），RWI生长速率可以显著增加（增加到$\sim 2$的因子）。我们的研究结果表明，RWI可以继续在产生磁风的圆盘中运行。